Suchen

Lab-on-a-Chip

Entwicklung anwendungsspezifischer Lab-on-a-Chip-Systeme

| Autor/ Redakteur: Thomas Henkel* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Eine neue Technologie ermöglicht es deutlich schneller als bisher, maßgeschneiderte Chips für chemische und biologische Analysen auf kleinstem Raum herzustellen. Durch den Einsatz der tropfenbasierten Mikrofluidik können unter anderem drastische Zeiteinsparungen bei der Analyse realisiert werden.

Firmen zum Thema

1 Schematische Darstellung eines Lab-on-a-Chip-Bauelementes für die tropfenbasierte Mikrofluidik. Funktionselemente für die Basisoperationen Tropfenerzeugung, Prozessieren, Analyse und Sortierung werden entsprechend Protokoll-vorgabe in ein fluidisches Netzwerk integriert.
1 Schematische Darstellung eines Lab-on-a-Chip-Bauelementes für die tropfenbasierte Mikrofluidik. Funktionselemente für die Basisoperationen Tropfenerzeugung, Prozessieren, Analyse und Sortierung werden entsprechend Protokoll-vorgabe in ein fluidisches Netzwerk integriert.
( Archiv: Vogel Business Media )

Ein Labor im Chip – die von dieser Vorstellung ausgehende Faszination motiviert weltweit Forscher auf den Gebieten der Mikrosystemtechnik, Mikrofluidik, Biotechnologie und Instrumentierung. Anwender versprechen sich von diesen Systemen Bedienerfreundlichkeit, einfache Handhabung, zuverlässige, hochpräzise Testergebnisse, ein gleichzeitiges Auslesen einer Vielzahl von Parametern sowie eine permanente Verfügbarkeit. Trotz intensivster Anstrengungen gelang es bislang allerdings noch nicht, diese Vision auf allen Gebieten der alltäglichen Laborpraxis umzusetzen. Trotzdem sind bereits Lösungen am Markt, die das Potenzial derartiger Systeme erahnen lassen. Dazu gehören insbesondere Teststreifen für analytische Schnelltests (z.B. Schwangerschaftstest), die unter den Plattformbezeichungen „lateral flow assays“ und „capillary driven test stripes“ eingeordnet werden. Neben den erwähnten Teststreifen gibt es eine Vielzahl weiterer mikrofluidischer Plattformtechnologien, auf deren Grundlage die Realisierung von Lab-on-a-Chip-Systemen erfolgen kann [1]. Jede dieser Plattformen definiert einen Satz von Basisfunktionen für z.B. Fluidtransport, Probenapplikation, Durchmischung von Reagenzien, Filtration und Detektion sowie die für diese Operationen erforderlichen Funktionseinheiten. Diese können anhand eines vorgegebenen Prozessprotokolls in ein Chipsystem integriert werden. Im Ergebnis entsteht ein anwendungsspezifisches Lab-on-a-Chip-Bauelement, welches für die vorgesehene Fragestellung eingesetzt werden kann.

Systemplattform für die tropfen-basierte Mikrofluidik

Der druckgetriebene Transport von Fluiden in Mikrokanälen stellt ein grundlegendes Transportprinzip für Fluide dar. Aufgrund von Wandreibung bildet sich im Mikrokanal ein Geschwindigkeitsprofil aus. Wandnahe Volumenelemente werden langsamer transportiert als Volumenelemente im Zentrum des Kanals. Diese Geschwindigkeitsverteilung bewirkt ein „Verschmieren“ von Volumenelementen entlang der Transportrichtung. Dem kann durch den Einsatz von Zweiphasensystemen entgegengewirkt werden. Durch Zusatz eines Separationsfluids, welches mit dem zu analysierenden Fluid nicht mischbar ist (z.B. Öl in Wasser), kann der Transport als segmentierter Probenstrom realisiert werden. Dabei werden kleine, in sich geschlossene Volumenelemente ähnlich einer Perlenschnur durch das Kanalsystem geführt (s. Abb. 1). Eine Übertragung von Fluid in einen benachbarten Tropfen wird durch Anwendung dieses Prinzips wirkungsvoll unterbunden.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 5 Bildern

Damit eröffnet sich die faszinierende Möglichkeit, jeden dieser Tropfen als eine individuelle Probe das System durchlaufen zu lassen und auf diese Weise seriell arbeitende Hochdurchsatzverfahren zu implementieren. Obgleich das Konzept bereits in den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelt und erprobt wurde, gelang der Durchbruch erst innerhalb der letzten sieben Jahre im Zuge der aktuellen Entwicklungen auf den Gebieten der Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik. Inzwischen hat sich, ausgehend von diesem Konzept, eine im Fokus des wissenschaftlichen und kommerziellen Interesses stehende Systemplattform entwickelt. Zu den avisierten Einsatzfeldern gehören Anwendungen aus den Bereichen Mikroreaktionstechnik, Biotechnologie, Molekularbiologie, biomedizinische Forschung, Diagnostik und Entwicklung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe. Schon frühzeitig gelang es, das Prinzip für die Kultivierung von Zellen und die Durchführung von Ganzzellassays im Tropfen zu nutzen. Abbildung 1 zeigt ein Implementierungsschema für eine derartige Anwendung aus dem Jahr 2003 [2]. Es beinhaltet Funktionseinheiten für die Basisoperationen Tropfenerzeugung, Tropfenprozessieren, Analyse von Tropfeninhalten, Sortieren und Inkubation, welche zum damaligen Zeitpunkt als modulare Anordnung von einzelnen Mikrofluidikchips [3] realisiert wurden. Die gegenwärtige Entwicklung ist gekennzeichnet durch den Übergang zu monolitischen Lab-on-a-Chip-Bauelementen, welche kostengünstig als Einwegartikel bereitgestellt werden sollen.

Intelligente Funktionsstrukturen für Mikrochips schnell erstellen

Eine der herausragendsten Eigenschaften der tropfenbasierten Mikrofluidik erschließt sich aus dem Potenzial von Phasengrenzen, Kräfte auszuüben. Die gleichen Kräfte, welche in Kapillaren das Steigen der Flüssigkeitssäule bewirken, können in mikrofluidischen Netzwerken für das Schalten von Prozessen und die Implementierung tropfenbasierter Logikoperationen genutzt werden [4, 5].

Man unterscheidet zwischen selbstablaufenden Prozessen und tropfenbasierten Regelkreisen. Beispiele für beide Klassen von Funktionselementen sind in Abbildung 3 und 4 dargestellt. In allen Fällen resultiert die Funktionalität aus dem Zusammenspiel von an Phasengrenzen generierten Kräften mit Benetzungseigenschaften, hydrodynamischen Kräften und der Geometrie der Funktionsstruktur. Einfachster Fall für einen selbstablaufenden Prozess ist die Tropfenerzeugung an einer mit Düse ausgestatteten T-förmigen Einmündung (s. Abb. 3). Hier ist das System so ausgelegt, dass der Tropfenabriss genau dann erfolgt, wenn der in den Kanal einwachsende Tropfen die gegenüberliegende Kanalwand erreicht hat. Das Volumen des gebildeten Tropfens kann anhand konstruktiver Merkmale vorbestimmt werden.

Im Gegensatz dazu ist z.B. für synchronisierte 1:1 Verschmelzung zweier Tropfen aus unterschiedlichen Zweigen des Netzwerkes (s. Abb. 4) die Implementierung eines geschlossenen Regelkreises erforderlich. Hier muss der als erstes an der Einmündung eintreffende Tropfen auf seinen Fusionspartner warten. Dies wird durch geeignete Einbauten in der Vereinigungsstruktur und die Integration eines Bypasses erreicht: Die Einbauten stoppen den zuerst eintreffenden Tropfen und leiten das nachfließende Fluid durch den Bypass um. Erst wenn von dieser Seite ein Tropfen eintrifft wird die Vereinigungsstruktur vollständig geschlossen und der nun vereinigte Tropfen aus der Struktur ausgetrieben. Damit ist zugleich der Ausgangszustand erreicht. Eine neue 1:1 Tropfenvereinigung kann beginnen.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 284016)